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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umschaltung einer
elektrischen Leitung von einer Anzapfung eines Stufentrausformators oder einer Stufendrossel
auf eine andere Anzapfung unter Last ohne Leistungsunterbrechung, bei welcher die
beiden umzuschaltenden Anzapfungen mit der Leitung je-
weils über eine sättigbare
Induktivität verbunden sind, die eine Gleichstromsteuerwicklung aufweist, die über
die Gleichrichter- und Schaltglieder gespeist ist.
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Von wesentlicher Bedeutung für alle Schaltvorgänge bei Anordnungen
dieser Art ist die Umschaltgeschwindigkeit. Sie hat in bestimmten Fällen eine besondere
Bedeutung, insbesondere bei der Stromversorgung von elektrischen Triebfahrzeugen
oder von elektrometallurgischeii oder elektrochemischen öfen.
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Bei bekannten Anordnungen der zuvor angegebenen Art wird die Gleichstromwicklung
jeder sättigbaren Induktivität durch die an der anderen sättigbaren Induktivität
liegende Wechselspannung über einen Gleichrichter gespeist. Es sind zwei Schalter
vorgesehen, mit denen wahlweise die eine oder die andre Gleichstromwicklung an Spannung
gelegt werden kann. Um den Umschaltvorgang einzuleiten, muß jeweils der eine Schalter
geschlossen und der andere geöffnet werden. Es sind daher besondere Maßnahmen erforderlich,
um eine Umschaltung ohne Leistungsunterbrechung, aber auch ohne Kurzschluß zwischen
den umzuschaltenden Klemmen zu ermöglichen. Der Aufwand hierfür ist besonders deshalb
beträchtlich, weil die Schalter Ströme schalten müssen, die in der Größenordnung
des um uschaltenden Verbraucherstroms liegen.
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Es ist auch bekannt, die mechanischen Schalter durch gittergesteuerte
Entladungsröhren zu ersetzen, die ihrerseits durch Schalter ausgelöst werden, die
in den Gitterkreisen liegen und von Hand oder durch Nocken betätigt werden. Diese
Art der Steuerung läßt sich nicht ohne Leistungsunterbrechung durchführen und eignet
sich daher nur für die Umschaltung kleiner Lastströme.
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Schließlich ist allgemein bekannt daß mechanische Schalter außer durch
gittergesteuerte Gasentladungsröhren auch durch Transistoren, gesteuerte Halbleitergleichrichter
und Magnetverstärker ersetzt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs
angegebenen Art, die bei einfachem Aufbau eine sichere Umschaltung unter Last ohne
Leistungsunterbrechung und ohne Gefahr eines Klemmkurzschlusses ermöglicht.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Steuerwicklungen
der beiden sättigbaren Induktivitäten mit dem einen bzw. dem anderen Ausgang einer
bistabilen Kippschaltung verbunden sind, die aus zwei an eine unabhängige Wechselspannungsquelle
angeschlossenen Magnetverstärkern gebildet ist, deren Ausgänge jeweils über einen
Gleichrichter mit einer der Steuerwicklungen verbunden sind, daß jeder Magnetverstärker
eine Entsättigungswicklung trägt welcher der gleichgerichtete Ausgangsstrom des
anderen Magnetverstärkers zugeführt ist und daß jeder Magnetverstärker eine Gleichstromsteuerwicklung
trägt, die beim Anlegen eines Steuerimpulses die Wirkung der Entsättigungswicklung
aufhebt und dadurch das Umkippen aus dem einen in den anderen stabilen Zustand auslöst.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden als Schalter für die Steuerung der den
Lastumschalter bildenden sättigbaren Induktivitäten die an sich bekannten Magnetverstärker
in einer besonderen bistabilen Schaltung verwendet. Da hierbei jeder Magnetverstärker
den anderen steuert, wird ein gleichmäßiger symmetrischer Übergang des Laststroms
von dem einen auf den anderen Zweig ermöglicht. Zur Auslösung dieses Übergangs braucht
nur ein Auslöseimpuls zu der aus den Magnetverstärkern gebildeten Kippschaltung
geliefert zu werden. Eine besondere Synchronisierung des Umschaltvorgangs, ist nicht
erforderlich, und die Umschaltung kann in jedem beliebigen Zeitpunkt, unabhängig
von der Phasenlage des umzuschaltenden Wechselstroms, ausgelöst werden. Die von
den Magnetverstärkern zu liefernde Steuerleistung ist klein gegen die gesteuerte
Leistung, so daß der Aufwand und Raumbedarf der Anordnung klein ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt F i g. 1 das Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, F i
g. 2 ein Diagramm der Impedanz einer Magnetkemwicklung in Abhängigkeit von
dem Strom in einer Sättigungssteuerwicklung und F i g. 3 ein Diagramm des
Stroms in jedem der Steuerkreise unter der Einwirkung des bistabilen Steuergeräts.
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Der Lastkreis ist in der Zeichnung durch eine Impedanz Z dargestellt,
durch welche der Laststrom I fließt. Im Leerlaufbetrieb des Transformators hätte
diese Impedanz Z einen unendlich großen Wert.
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Die Stromabgabe erfolgt von dem Transformator zu diesem Lastkreis
über eine Sekundärwicklung mit mehreren Abgriffen, welche an Kontaktklemmen
a, b,
c, d angeschlossen sind.
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Die den Lastkreis darstellende Impedanz Z ist mit den Klemmen
b und c des Transformators über zwei Schaltglieder verbunden, welche aus
sättigbaren Induktivitäten Z, und Z, bestehen, von denen jede eine zweiteilige Wicklung
aufweist, die auf zwei Schenkeln eines sättigbaren Magnetkreises angebracht ist.
Dieser Magnetkreis trägt ferner eine Vormagnetisierungswicklung 4, welche den Arbeitspunkt
bestimmt, und eine Steuerwicklung 3, welche den Magnetkreis in den gesättigten
bzw. den nichtgesättigten Zustand bringt, je nachdem, ob sie von einem maximalen
Strom oder einem minimalen Strom erregt wird.
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Das Diagramm von F i g. 2 zeigt die Änderung des Betrags der
Impedanz der Wicklungen Z, und Z, in Abhängigkeit von dem Strom i in den Steuerwicklungen
3. Wenn dieser Strom i einen sehr kleinen Wert i.. hat, nimmt die parametrische
Impedanz einen sehr großen Wert Z.. an, so daß sie nichtleitend wird. Wenn dagegen
der Strom i einen großen Wert i. hat, nimmt die Impedanz einen sehr geringen WertZ,
an, so daß sie den Laststrom übertragen kann. Die Vormagnetisierungswicklung 4 hat
insbesondere den Zweck, die restlichen Amperewindungen aufzuheben, welche von dem
Strom 1. der Steuerwicklung stammen, der nicht genau Null ist. Dadurch wird es mög-Ech,
die parametrische Impedanz auf ihren Höchstwert zu bringen und einen vollkommeneren
nichtleitenden Zustand zu erreichen.
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Die Steuerung der sättigbaren Induktivitäten erfolgt durch eine bistabile
Kippschaltung, die aus zwei
selbstsättigenden Magnetverstärkern
C, und C2 gebildet ist. Jeder dieser Magnetverstärker enthält eine
Wicklung Z", die aus zwei Teilen besteht, welche auf zwei Schenkeln eines sättigbaren
Magnetkreises angebracht sind. Diese beiden Wicklungshälften liegen parallel zueinander
im Stromkreis einer Wechselstromquelle unter Einfügung von Gleichrichtern r in der
Weise, daß durch die Wicklungshälften gleichgerichtete Ströme in entgegengesetzten
Richtungen fließen.
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Der Wechselstromkreis jedes Verstärkers C, und C2 speist einen
Graetz-Gleichrichter D, bzw. D.,
welcher an seiner den Gleichstrom
abgebenden Diagonale mit der Steuerwicklung 3 der entsprechenden sättigbaren
Induktivität Z, bzw. Z2 verbunden ist.
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Die Magnetverstärker enthalten ferner eine Vormagnetisierungswicklung
5, eine Entsättigungswicklung 6 und eine Gleichstromsteuerwicklung
7, der das Eingangssignal zugeführt wird.
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Die Vormagnetisierungswicklung 5 jedes Verstärkers legt den
Arbeitspunkt des Verstärkers in der Weise fest, daß beim Fehlen eines Signals an
den Wicklungen 6 und 7 der Verstärker vollständig gesättigt ist und
einen maximalen Strom 10 zu der Steuerwicklung 3 der entsprechenden sättigbaren
Induktivität liefert, wobei dann die Spannung an den Klemmen der Wicklung
3 ein Maximum ist.
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Die Entsättigungswicklung 6 ist parallel zu den Klemmen der
dem anderen Verstärker entsprechenden Steuerwicklung 3 angeschlossen. Ihre
Amperewindungen sind so bemessen, daß sie den Magnetkreis ihres Verstärkers in den
nichtgesättigten Zustand bringt, wenn die Spannung an den Klemmen der Steuerwicklung
3, an welche sie angeschlossen ist, den maximalen Wert hat. Infolge dieser
gekreuzten Verbindungen zwischen der Entsättigungswicklung 6
eines Verstärkers
und der Steuerwicklung 3 der zum anderen Verstärker gehörigen sättigbaren
Induktivität befindet sich also ein Verstärker notwendigerweise im nichtgesättigten
Zustand, wenn der andere Verstärker im gesättigten Zustand ist, und umgekehrt.
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Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Es sei angenommen, daß
der Verstärker C, gesättigt ist. Er gibt dann den maximalen Strom 10 zu der
Steuerwicklung 3 der sättigbaren Induktivität Z, ab, wobei diese Steuerwicklung
eine Lastimpedanz z, darstellt, an deren Klemmen die Spannung U erscheint.
Diese Spannung wird den Klemmen der Entsättigungswicklung 6 des Verstärkers
C, zugeführt, wodurch dieser vollständig in den nichtgesättigten Zustand
gebracht wird und einen sehr geringen Strom i. zu der Steuerwicklung 3 der
sättigbaren Induktivität Z, liefert. Es besteht daher nur eine geringe Spannung
an den Klemmen dieser Steuerwicklung 3, welche die Lastimpedanz z. des Verstärkers
C, darstellt. Somit wird den Klemmen der Entsättigungswicklung
6 des Verstärkers C, eine sehr geringe Spannung zugeführt, welcher nach den
vorhergehenden Erläuterungen vollkommen gesättigt ist, was mit der anfänglich gemachten
Annahme übereinstimmt. Bei entsprechender Einjustierung befindet sich das bistabile
System dann in einem ersten stabilen Zustand, in welchem die sättigbare Induktivität
Zi vollkommen leitend und die sättigbare Induktivität Z, vollkommen nichtleitend
sind.
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Wenn man im Gegensatz zu der zuvor gemachten Annahme voraussetzt,
daß der Verstärker C., gesättigt ist, erhält man offensichtlich einen zweitei stabilen
Zustand, der sich dadurch kennzeichnet, daß die sättigbare Induktivität Z, leitend
und die 'sättigbare Induktivität Z, nichtleitend sind. Der übergang von dem ersten
Zustand in den zweiten Zustand geschieht in folgender Weise: Ausgehend von dem beschriebenen
ersten stabilen Zustand wird kurzzeitig ein Strom J2 durch die Auslösewicklung
7 des Verstärkers C2 geschickt. Dieser wird dadurch teilweise gesättigt,
so daß die Spannung an den Klemmen ihrer Lastimpedanz z. ansteigt. Wegen der zuvor
geschilderten Verbindung mit der Entsättigungswicklung 6 des Verstärkers
C, geht dieser in den nichtgesättigten Zustand über, wodurch die Spannung
an den Eingangsklemmen des Verstärkers C, verringert wird, was die Wirkung
des Auslösesignals J, beträchtlich verstärkt. Wenn die Amplitude und die
Dauer dieses Signals in richtiger Weise bemessen sind, setzt sich die so eingeleitete
Wirkung spontan fort, bis das bistabile System seinen zuvor definierten zweiten
stabilen Gleichgewichtszustand erreicht.
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Der übergang von einem stabilen Zustand in einen anderen stabilen
Zustand unter der Wirkung von Auslösesignalen erfolgt kontinuierlich und synchron
in den beiden Verstärkern. F i g. 4 zeigt die Veränderung der Ströme 11 und
1" in Abhängigkeit von der Zeit t. Das gleiche gilt 71ementsprechend für den übergang
jeder der angeschlossenen sättigbaren Induktivitäten Z, und Z, von dem Zustand der
Stromleitung in den Zustand der Nichtleitung bzw. umgekehrt.
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Der übergang von einem ersten Gleichgewichtszustand in den zweiten
Gleichgewichtszustand kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wenn beispielsweise
der Verstärker C, im nichtgesättigten Zustand ist, kann ihm ein Signal
J., zugeführt werden, das aus einem Stromsprung oäer einem Spannungssprung
besteht, durch welchen der Verstärker in die Sättigung gebracht wird, während das
Signal fl am Verstärker C, den Wert Null hat. Das Signal J, kann auch ein rechteckiger
Strom- bzw. Spannungsimpuls von entsprechender Amplitude und Dauer sein. Man kann
auch einen rechteckigen Strom- oder Spannungsimpuls in gleicher Richtung an die
Klemmen der beiden Auslösewicklungen 7 der Verstärker C, und C, gleichzeitig
anlegen. Der anfänglich gesättigte Verstärker Ci wird nämlich von diesem Signal
nicht beeinflußt, während der anfänglich nicht in der Sättigung befindliche Verstärker
C, sich teilweise zu sättigen beginnt. Infolge der Zeitkonstanten der verschiedenen
zu den Magnetverstärkern gehörigen Stromkreise bleibt diese teilweise Sättigung
des Verstärkers C, auch nach dem Aufhören des Auslösesignals bestehen. Dies
entspricht wieder dem Betrieb mit einem einzigen Impuls, welcher dem Verstärker
C,
zugeführt wird, so daß das System in der zuvor beschriebenen Weise umkippt.
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Natürlich ist in diesem Fall die Dauer des Impulses sehr kritisch:
Wenn der Impuls zu lang ist, bringt er die beiden Magnetverstärker in den gleichen
Sättigungszustand; ist er zu kurz, kann sich die teilweise Sättigung des Verstärkers
C., nicht ausbilden. In beiden Fällen kann das System nicht kippen.
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Es ist zu bemerken, daß die Verstärker eine sehr geringe Leistung
haben können. Ihre Abmessungen sind sehr viel kleiner als diejenigen der sättigbaren
Induktivitäten Zi und Z.. Für diese sättigbaren Induktivitäten kann nämlich das
Verhältnis der gesteuerten
Leistung Kilovoltampere zur Steuerleistung
in Kilowatt sehr groß sein. Dies hat zur Folge, daß die das bistabile System bildenden
Magnetverstärker ihrerseits nur eine sehr geringe Steuerleistung erfordern.